设计文本—挖深式消力池水力计算

1专题10.挖深式消力池水力计算当泄水建筑物下游发生远离式水跃时，可以采用工程措施使下游局部水深增加，从而形成淹没式水跃。【工程任务】如图所示为一5孔溢流堰，每孔净宽b=7m，闸墩厚度d=2m，上游河道宽度与下游收缩断面处河道宽度相同，即0cBBnbn1（）d，上下游水位的高程如图中所注，当每孔闸门全开时，通过的泄流量Q=1400m3/s，试求：判别底流衔接形式，如为远趋式水跃，试设计一挖深式消力池。【分析与计算】1.判断是否需要修建消力池上游水面收缩断面处河底总能量为220021022()vQEpHpHggpHB（式10-1）将11551055()ppm162.41557.4()Hm31400(/)Qms20(1)57(51)232()Bnbndm代入上式可得：2021400557.462.41()29.8(557.4)43Em收缩断面处的河道宽度043()cBBm，则收缩断面处的单宽流量3/1400/4332.56(/())ccqQBmsm坝面流速系数10.015/10.01555/7.40.885pH收缩断面水深的计算公式为20222cccqEhgh（式10-2）即222232.5669.662.4129.80.885cccchhhh经试算得1.065()chmch的共轭水深为：22331.06532.56''(181)(181)13.73()229.81.065ccchqhmgh下游水深11010010()thm。因为13.73()thm，所以产生远离式水跃，故需要修建消力池。2.设计挖深式消力池池长挖深式消力池主要通过降低护坦高程来实现，其设计内容包括消力池的池深d和池长Lj的计算。池深d的计算。应用公式''jctdhZh（式10-3）2012212ccqEdhgh（式10-4）321131''(181)2cccchqhgh（式10-5）将222212(')2('')cctjcqqZghgh代入（式10-3）得到221221''2('')2(')ccjctjctqqhdhghgh（式10-6）式10-6的左端是一个以d为自变量的函数，令2121()''2('')cjcjcqfdhdgh（式10-7）式10-6右端是已知的常数2222232.561010.62(')29.80.9510cttqAhgh假设一系列的池深d，然后分别由（式10-3）和（式10-4）计算1ch和1''ch，代入（式10-7）计算()fd，使()fd等于A值的池深即为所求。设4.4dm，由（式10-4）得：12169.666.81cchh解得：11.025ch由（式10-5）解得2131.02532.52''(181)14()29.81.025chm22()1.054.410.5529.8(1.0514)cqfd可见()fdA，故取消力池池深4.4dm。43.设计挖深式消力池池深自由水跃长度116.9('')6.9(141.025)89.5()jcclhhm消力池长度0.750.7589.567.1()JBllm【Excel迭代计算】由以上计算步骤可以看出，计算过程较繁琐，涉及到收缩断面水深的迭代求解，池深计算等复杂的计算过程。使用Excel计算软件进行计算，可大大加快计算速度。按照挖深式消力池的计算思路，在Excel表格中编制相应的计算程序，如图10-1和图10-2所示。图10-1和图10-2所示的表格，使用时应注意的问题：橙色区域对应的参数为基本参数值，需人工输入具体数值；绿色区域所对应的数据为程序自动运算的结果，切勿人工输入数值；若F13单元格中显示“否，不需修建消力池”，则无需进行消力池的水力计算。①“假设池深d”一栏为试算水深专栏，当在橙色区域输入第一个试算水深后，可得到其后一差值为0.1的等差数列；②判断试算结束的精度默认为2%，若改变精度，需调整单元格D19:D28的程序。③“消力池池深取值”为符合试算精度要求的多个假设池深的平均值。④消力池池长计算中的两个共轭水深，也是符合精度要求的池深值对应的水深平均值。5图10-1挖深式消力池excel计算表（工作簿01）6图10-2挖深式消力池收缩水深hcexcel计算表（工作簿02）注意：橙色区域对应的参数为基本参数值，需人工输入具体数值；绿色区域所对应的数据为程序自动运算的结果，切勿人工输入数值！7Excel公式如表10.2。表10.2excel计算程序公式汇总计算项目序号名称Excel公式水力计算公式实用堰参数计算结果1闸门总宽度B0(m)A10=$C$6*$D$6+($C$6-1)*$E$60cBBnbn1（）d2单宽流量q（m3/(sm)）B10=C4/A100QqB3上游行进流速v0（m/s）C10=C4/((A4+B4)*A10)010()QvpHB4上游总水头E0(m)D10=A4+B4+C10^2/(2*9.8)20222cccqEhgh判断是否修消力池5收缩水深hc（m）A14='02自动迭代（勿动）'!C8第1次迭代（02工作簿）C4='01计算表格'!$B$10/('01计算表格'!$E$4*SQRT(2*9.8*('01计算表格'!$D$10+$B$2-'02自动迭代（勿动）'!B4)))02()cccqhgEh6第2次迭代（02工作簿）B5=C47C5='01计算表格'!$B$10/('01计算表格'!$E$4*SQRT(2*9.8*('01计算表格'!$D$10+$B$2-'02自动迭代（勿动）'!B5)))8第3次迭代（02工作簿）B6=C59C6='01计算表格'!$B$10/('01计算表格'!$E$4*SQRT(2*9.8*('01计算表格'!$D$10+$B$2-'02自动迭代（勿动）'!B6)))10第4次迭代（02B7=C68计算项目序号名称Excel公式水力计算公式11工作簿）C7='01计算表格'!$B$10/('01计算表格'!$E$4*SQRT(2*9.8*('01计算表格'!$D$10+$B$2-'02自动迭代（勿动）'!B7)))12第5次迭代（02工作簿）B8=C713C8='01计算表格'!$B$10/('01计算表格'!$E$4*SQRT(2*9.8*('01计算表格'!$D$10+$B$2-'02自动迭代（勿动）'!B8)))14收缩断面共轭水深hc（m）B14=A14/2*(SQRT(1+8*$B$10^2/(9.8*A14^3))-1)21131''(181)2cccchqhgh15下游水跃形式C14=IF(B14D4,远趋式水跃,IF(B14=D4,临界式水跃,淹没式水跃))——16是否需要修建消力池D14=IF(OR(C14=远趋式水跃,C14=临界式水跃),是，需要修建消力池,否，不需修建消力池)——消力池池深计算17A值B17=$D$4+$B$10^2/(2*9.8*($F$4*$D$4)^2)222(')cttqAhgh18收缩水深hc1（m）迭代过程在工作簿2，类似A14B19='02自动迭代（勿动）'!G802()cccqhgEdh19收缩断面共轭水深hc1（m）C19=B19/2*(SQRT(1+8*$B$10^2/(9.8*B19^3))-1)21131''(181)2cccchqhgh20f(d)函数D19=$A$6*C19+$B$10^2/(2*9.8*($A$6*C19)^2)-A199计算项目序号名称Excel公式水力计算公式2121()''2('')cjcjcqfdhdgh21是否为所求池深（精度2%）E19=IF(ABS((D19-$B$17)/D19)0.02,是,否)()2%()fdAfd22消力池池深取值（m）F19=IF(D14=是，需要修建消力池,IF(COUNTIF(E19:E28,是)0,SUMIF(E19:E28,是,A19:A28)/COUNTIF(E19:E28,是),没有符合要求的假设池深，请重新输入假设池深值),不需修建消力池)1niidn（注:id为符合条件的假设池深）消力池池长计算23挖深后收缩水深hc1取值（m）E10=IF(D14=是，需要修建消力池,IF(COUNTIF(E19:E28,是)0,SUMIF(E19:E28,是,B19:B28)/COUNTIF(E19:E28,是),没有符合要求的hc1取值，请重新输入假设池深值),不需修建消力池)11nciihn（注:1cih为符合条件的假设池深所对应的收缩水深）24挖深后收缩共轭水深hc1（m）取值（m）F10=IF(D14=是，需要修建消力池,IF(COUNTIF(E19:E28,是)0,SUMIF(E19:E28,是,C19:C28)/COUNTIF(E19:E28,是),没有符合要求的假设池深，请重新输入假设池深值),不需修建消力池)11''nciihn（注:1''cih为符合条件的假设池深所对应的收缩断面共轭水深）25自由水跃长度Lj（m）E14=IF(F19=不需修建消力池,不需修建消力池,IF(COUNTIF(E19:E28,是)0,6.9*($F$10-$E$10),没有符合要求的hc1取值，请重新输入假设池深))116.9('')jcclhh10计算项目序号名称Excel公式水力计算公式26消力池长度LB（m）F14=IF(F19=不需修建消力池,不需修建消力池,IF(COUNTIF(E19:E28,是)0,$B$6*$E$14,没有符合要求的hc1取值，请重新输入假设池深))JBll（0.7～0.8）11【编写计算程序时需要注意的问题】①正确使用常用的计算函数。表示加“+”，减“—”，乘“*”，除“/”，开平方“sqrt()”，幂函数“a^b”(即a的b次幂)等的函数，都要严格符合Excel计算程序的要求。否则，错一个符号，都可能导致计算的错误。尤其需要注意的是，乘号“*”在任何时候都不能省略。②思路要清晰，“（）”要对称。在Excel计算程序中，需用括号之处一律用小括号，没有中括号和大括号的使用。在编写时，务必保证“（）”的左右对称，使用得当。③合理布置表格结构。在编写程序前，应在工作薄中合理布置“已知条件”和“计算程序”的位置，一般条件下，将已知的参数“已知条件”集中放在一个区域，将计算的过程集中放在一个区域，计算过程按试算思路的顺序进行。④绝对单元格的的引用。“已知条件”中的部分数据，在“计算过程”的每一个试算过程都要用到，如n、i、m、b等参数。对这些参数，应进行绝对化单元格，才能保证在下拉时这些单元格参与到每个试算过[1]程的计算。绝对化单元格的符号“$”，如“$B$4”。⑤使用IF函数判断闸孔出流的类型等，IF函数的基本形式为“IF(条件，符合条件输出的数据，否则)”。【参考文献】[1]刘亚坤，水力学[M].北京：中国水利水电出版社,2007[2]张春娟，工程水力计算[M].北京：中国水利水电出版社,2010[3]罗全胜，王勤香，水力分析与计算[M].郑州：黄河水利出版社,2011